大宽高比弧形钢闸门流激振动数值分析

针对大宽高比弧形钢闸门在水流脉动作用下的动力特性问题,以某节制闸弧形钢闸门为例,建立闸门有限元模型,分析流固耦合、支臂厚度对闸门振动特性的影响。基于随机振动法得到闸门在脉动水流作用下的流激振动位移与应力响应,并利用动力系数法对闸门动力响应做出评价。结果表明:闸门基阶振动受水体影响较小,低阶振动受支臂影响较大;闸门典型工况下的流激振动位移响应最大值为4. 029mm,动应力最大值为61. 247MPa,动力系数均低于1. 20,总体动应力水平较低,在动水作用下可安全运行。     

大跨度对拉式浮体闸门流激振动特性研究——以南水北调中线一期引江济汉工程对拉式闸门为例

为研究大型对拉式水工钢闸门的静动力特性及流激振动响应特性,以南水北调中线一期引江济汉工程拾桥河枢纽为依托,采用三维有限元方法对闸门结构进行静动力分析,并通过水弹性物理模型试验监测成果,验证结构分析的合理性以及闸门在不同运行工况下的振动特性,获得了作用于闸门结构的水流脉动压力荷载,取得了闸门结构在流固耦合条件下的固有振动模态参数,揭示了闸门结构在不同运行工况下的振动加速度、动位移及动应力响应特性。研究成果对工程今后的调度运行以及同类型工程建设具有参考意义。     

基于流固耦合的弧形闸门-闸墩体系的流激振动研究

实际工程中弧形闸门与闸墩联系紧密,在水流脉动压力下二者相互影响,形成一个体系。为了揭示闸门与闸墩的相互影响规律,采取流固耦合理论对弧形闸门-闸墩体系开展流激振动研究。以某水利工程弧形工作闸门为例,针对弧形闸门单体和弧形闸门-闸墩体系分别建立三维有限元模型,计算两种模型的自振频率,基于模态分析的结果对两种模型进行动力响应分析,总结闸门和闸墩在动力特性和流激振动响应方面的相互影响规律。结果表明：闸墩对闸门动力特性及动力响应具有较大影响,考虑闸墩影响时,弧形闸门自振频率下降,其中以支臂振动为主的第4阶自振频率下降幅度最大,为61.45%,面板及支臂顺河向动位移分别减小44.58%及增大37.93%,面板及支臂动应力分别下降41.70%及增加30.71%;闸门流激振动对闸墩应力有显著影响,相较于闸墩按动力系数计算的最大应力增大了4.713 MPa。采用弧形闸门-闸墩体系模型可以更加准确而全面地评估弧形闸门及闸墩在流激振动下的安全特性。     

弧形钢闸门流固耦合自振特性分析

为了使设计的闸门自振频率远离水流的高能脉动主频率段,以保证闸门的安全,采用三维有限元的数值方法,考虑流固耦合作用,得出了弧形钢闸门在不同开度下的自振频率和振型模态特性。计算结果表明:水体对闸门的影响总趋势是使其自振频率降低、振动模态发生变化;闸门的自振频率随着开度非线性变化。     

考虑流固耦合效应的漂浮物撞击平面钢闸门的研究

针对平面钢闸门结构受力复杂,运行中受到水压力容易引起剧烈的振动并常伴有漂浮物撞击,这些因素容易导致闸门结构失稳而发生破坏。以某水库泄洪闸为例,考虑流固耦合效应影响,借助有限元软件ABAQUS建立水流场-闸门-漂浮物模型,研究了水流与闸门间流激振动和漂浮物撞击对平面钢闸门开启时变形和动态响应的影响,得到平面钢闸门在正常泄流和伴有漂浮物撞击下闸门泄流两种不同工况下流场流速、动水压力、闸门面板的应力、位移变化情况。结果表明:漂浮撞击下的闸门面板的应力应变均存在不同程度增加,在闸门与水流的流固耦合面中部,存在大面积应力集中现象,其数值接近应力峰值,使得闸门安全运行存在较大的隐患。     

五道水库泄洪洞进水塔振动研究

五道水库泄洪洞高水位运行时,进水塔出现剧烈振动。为探明振动原因,为除险加固提供依据。进行了泄洪洞1：20水工模型试验,研究工作闸门不同开度时泄洪洞边壁及闸门水流的脉动压力特性,通过有限元动力分析,研究进水塔的自振特性,预测进水塔的振动响应。研究表明．进水塔的低阶自振频率没有完全脱离动水激励的高能区域,可能产生较大流激振动;0．4以上大开度运行时进水塔的振动响应较大,设计水位最大加速度出现在塔底．约0．34g．与原型观测预潮结果一致．     

桥巩水电站泄水闸大型平面闸门流激振动模型试验研究

桥巩水电站泄水闸工作闸门为超大型露顶式平面滚轮钢闸门,闸门尺寸15 m×24.9 m,由固定卷扬式启闭机启闭,闸门常在局部开启条件下运行,闸门下游强紊动水流与闸门之间复杂的耦合作用可能引起闸门较大振动,甚至影响其安全运行,为保证闸门安全运行,采用1/25全水弹性相似模型对闸门进行了流激振动试验研究和三维有限元计算,揭示了闸门的流激振动特性,论证了闸门振动的安全性,建议避免闸门长期在0.1以下开度运行.     

平面钢闸门自振特性有限元分析

为了使平面钢闸门的自振频率远离水流的高能脉动主频率段,保证闸门的安全,在重点考虑流固耦合对闸门自振特性影响的基础上,采用大型有限元分析软件ANSYS分析平面钢闸门的自振频率,并结合工程实例,分析了平面钢闸门在无水和有水状态下的振动特性,结果表明,流场对闸门自振特性影响较大,对低阶振动频率的影响尤其显著.     

深水叠梁闸门自振特性研究

根据深水中叠梁闸门的工作特点,建立闸门和水体的流固耦合模型,由不同的计算分析方法得出闸门的自振频率和特性,结果表明:流固耦合方法不仅能够说明流体惯性力对闸门的作用,同时还能体现出闸门与水体的相互作用,闸门与水体之间存在惯性耦合作用;流固耦合计算模型选取不同长度水体时,频率曲线逐渐降低并最终趋于水平;闸门第一阶振型存在一定的变化,随着选取水体范围的增大,顺水流方向的局部振动改变为整体顺流向振动。     

撑卧式平板钢闸门自振特性研究

采用有限元分析软件ANSYS获取闸门的自振频率和振型模态特性,对撑卧式平板钢闸门流固耦合效应下的模态进行了计算,结果表明:流固耦合对闸门振动特性具有很大影响,并且支撑桁架结构尺寸和形式对流固耦合作用明显.     

基于BIM+数值模拟的弧形闸门结构性能分析研究

【目的】溢洪道泄洪是一个复杂的水气交换物理过程,在溢洪道泄洪中弧形闸门发挥着十分重要的作用,泄洪过程中弧形闸门受到水体流激振动导致受力不均匀,造成弧形闸门应力应变计算困难。针对不同开度下水流对表孔弧形闸门结构受力情况,【方法】以某水电站溢洪道弧形闸门为例,采用BIM技术建立弧形闸门和流场计算域模型,通过BIM技术与有限元数值模拟间数据交互建立三维有限元模型,采用Fluent、Static Structural进行网格划分并对不同开度下溢洪道过闸流量和弧形闸门受力情况进行数值模拟,分析溢洪道过闸流量和弧形闸门应力、应变变化规律。【结果】结果显示：过闸流量在误差允许范围之内,闸门应力、应变随开度的不断增加逐渐减小,在闸门开启瞬间产生最大等效应力值为142.2 MPa,最大变形值为3.45 mm;采用BIM技术对弧形闸门进行性能分析,提高数值分析效率,并将数值分析得到的水力信息进行处理赋予BIM结构模型中。【结论】研究表明：BIM技术结合数值模拟技术可以进行水工钢结构性能分析,实现BIM平台与CAE有限元平台数据双向交互,拓宽了BIM技术在水工钢结构性能分析中应用研究。     

基于锈蚀模型的钢闸门动力性能研究

水工钢闸门是开启和关闭泄水通道的重要部位,钢闸门锈蚀后,力学性能减退,威胁运行安全。通过建立钢材的锈蚀模型,将锈蚀对闸门的影响转化为弹性模量的改变来计算锈蚀对闸门的作用效果。选取不同的水位,进行流固耦合计算,提取闸门自振频率,分析和对比锈蚀闸门和未锈蚀闸门的振动规律。结果表明水工钢闸门出现锈蚀之后,材料性能减弱,截面尺寸削弱,刚度变小,自振频率降低。随着水位的逐渐升高,闸门的自振频率在逐渐减小,若闸门锈蚀后,则自振频率将会降低更快,但边梁的振动受水位的影响不大。     

涌潮荷载作用下大型桁架式平面闸门动力响应仿真分析

通过三维有限元数值模型进行涌潮荷载作用下大型桁架式平面闸门动力响应仿真分析,研究大型桁架式平面闸门的结构动力特性,得出流固耦合条件下闸门结构的振动频率变化特征。在此基础上,通过涌潮荷载作用模拟对结构的动力响应进行仿真计算,得出闸门动位移和动应力值。采用水弹性振动模型对闸门结构的涌潮动力响应进行试验验证。验证结果表明,仿真计算结果与试验结果基本一致,仿真计算结果合理。最后,针对局部应力集中现象对闸门结构进行修改优化,并提出抗振优化方案。     

水工闸门流激振动研究进展

从水动力荷载与闸门振动特性的关系、水动力荷载作用特点及其控制方法、闸门减振优化设计方法、弧形闸门支臂动力稳定性分析、闸门水弹性振动模拟方法以及闸门流激振动仿真分析等方面,对水工闸门流激振动的研究进行了回顾.并对进一步做好水工闸门的振动研究工作提出了建议.     

非对称尾部形状水翼水力阻尼识别方法研究

水力阻尼是影响流激振动幅值预测精度的关键参数,是水力机械流激振动领域研究的热点问题。非对称尾部形状水翼在涡激振动和升力的联合作用下,振动响应的平衡位置具有时变特性,采用传统自由振动衰减法获得的水力阻尼比误差大幅度增加,甚至失效。为了克服传统自由振动衰减法应用局限,本文借助双向流固耦合数值模拟方法获得流激振动响应位移,通过带通滤波结合平衡位置校准,研究了动水环境中对称和非对称尾部形状水翼水力阻尼的识别方法。结果表明,数值模拟可较准确获取低阶结构模态和尾部旋涡脱落频率,相比实验结果,低阶弯曲模态频率、低阶扭曲模态频率和15 m/s流速下脱落涡频率最大偏差分别为7.58%、2.90%和1.42%;带通滤波可消除周期性涡激振动对响应信号的影响,水力阻尼比识别偏差度从7.51%下降到1.92%;平衡位置校准方法可采用多项式拟合法、线性插值法和光滑样条曲线法,所对应的水力阻尼比识别偏差度分别为34.93%、3.53%和0.16%。工程上,可优先推荐滤波结合线性插值法,在需要高精度水力阻尼比的场合,则必须采用滤波结合光滑样条曲线法。     

基于Fluent的南水北调闸门流固耦合数值模拟研究

水工钢闸门在南水北调中线工程中应用较为普遍,对工程的安全及有效输水起着较重要的作用。利用现场闸门检测结果,验证了所建数值模型的合理性,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,利用RNG k-ε湍流模型,基于流固耦合理论,结合ANSYS Workbench平台内的Fluent分析模块及Static Structural分析模块,对闸门在不同开度下进行数值模拟分析,得出流场的水流压强和闸门的Mises应力及位移,探寻在不同开度时流场压强及闸门受力规律。结果表明：随着闸门开度的不断减小,闸门底缘附近的压强不断增大,同时闸门面板及主横梁的Mises应力及位移均是不断增大的,尤其当闸门开度小于0.40后,闸门附近处压强有明显增大趋势,面板和横梁的应力及位移有明显增大现象。     

水工闸门锈蚀后动力性能研究

以钢闸门为研究对象,考虑了流固耦合对锈蚀闸门动力性能的影响。通过有限元分析,选取闸门振型中对结构振动影响较大的低阶频率范围内振动的构件,对其进行不同程度的锈蚀模拟,从而得出闸门锈蚀后动力性能的变化规律并找出影响闸门自振频率变化显著的构件局部位置。通过分析锈蚀闸门构件对结构整体动力性能的影响,得出影响损伤闸门自振频率的因素,具体包括,损伤面的锈蚀程度、锈蚀面积的大小及锈蚀的位置等。为此,在实际检测中应重点对本文得出的影响闸门动力性能的局部构件即易造成闸门损害的部位做出评估判定。     

平面钢闸门变形及力学特性影响研究

为了深入研究闸门的流激振动，以实际工程为例，结合双向流固耦合理论，建立有限元模型，分析闸门开度对其位移、应力所产生的影响。结果表明，当相对开度大小为0.3时，闸门最大应力处于最高，为185MPa,并且在继续提高闸门开度时，闸门应力峰值开始慢慢减小，应力变化的幅度也愈来愈小；当相对开度大小为0.1时，闸门最大位移处于最高，为4.609mm,并且随着开度的继续增大，闸门位移最大值也表现出逐渐降低的趋势。但位移峰值在相对开度为0.4时，只比开度为0.1时的小，均高于其他开度时的位移峰值，闸门位移在当相对开度是0.4时一直处在变化过程中。另外，其位移峰值与开度为0.2、0.3时相比也较大，闸门应力、位移在开度为0.4时都处在持续变化中，表明这种工况危险性较高，在此开度闭门的时候要快速通过，不要停留较长时间。     

考虑闸墩弹性效应的弧形闸门流激振动数模-物模联合预测与安全分析

通过试验和数模对闸门流激振动响应仿真模拟是研究闸门振动的一种有效方法。以某水电站泄洪底孔弧形闸门为具体研究对象,根据模型试验要求设计了水力学和水弹性模型,进行了支铰力荷载量测和流激振动响应试验,分析了泄流条件和闸门、闸墩振动的关系,同时将试验所得荷载分别施加于闸门—闸墩耦合数值模型和将闸墩处理成刚性约束的数值模型进行动力响应计算。通过对比分析,认为闸墩振动对闸门动应力和垂向动位移影响较小,但对闸门水平向和侧向动位移影响较大。最后结合数模和物模对闸门振动进行了安全分析。     

平面钢闸门流固耦合分析与优化设计

针对潜孔平面钢闸门在启闭过程中,受水流脉动压力荷载作用可能引起强烈振动而容易发生 破坏的问题,以某引水工程取水口工作闸门为例,运用有限元软件,采用流固耦合法,对平面钢闸门进行 了流固耦合分析,得到闸门的自振频率;通过对闸门进行水动力学模型试验分析,得到作用在闸门底缘 上的脉动压力能量主要集中在20Ｈｚ以内,并以此预测出闸门有产生共振的风险。为防止闸门在运行中 产生共振,对闸门进行优化设计。结果表明,通过提高闸门的自振频率,使闸门的自振频率远离脉动水 流高能区,能够有效预防闸门产生共振的风险。